Расчет четырехслойного аппарата с промежуточными теплообменниками

4.Расчетная часть.

Рассчитываем четырехслойный аппарат с промежуточными теплообменниками.

Первоначально определяем объемный расход газа (приведенный к нормальным условиям), поступающего в контактный аппарат указанной производительности:

, где G – заданная производительность, т H₂SO₄/ сутки;

V – мольный объем сернистого газа, 22,4 м³/кмоль;

М_H2SO4 – мольная масса серной кислоты, 98 кг/кмоль;

η – коэффициент использования SO₂, η=0,98;

a – мольная доля SO₂ в исходном газе (0,075).

Для определения наилучших параметров контактного аппарата строится кривая зависимости равновесной степени превращения SO₂ в SO₃ от температуры:

, где Р – давление, 101123 Па (в  аппарате);

a и b – начальные концентрации SO₂ и O₂ в смеси, 7,5% и 10.5% объема соответственно.

К_р – константа равновесия, Па^-0,5, зависимость ее от температуры приведена ниже:

Величина Х_р входит в уравнение в неявном виде и определяется методом последовательных приближений: задаваясь ожидаемым значением Х_р, его подставляют в правую часть уравнения и если после вычисления полученное значение Х_р существенно отличается от предварительно принятого расчет повторяют.

Получили следующие значения X_р от температуры:

t, °C	Xр
390	0,993
400	0,991
425	0,984
450	0,973
475	0,955
500	0,930
525	0,895
575	0,792
600	0,723
650	0,566

Строим равновесную кривую в интервале температур 400-640°C

На график наносим соответствующие адиабаты и изотермы (в слоях катализатора газ нагревается адиабатически, потом в промежуточных теплообменниках он охлаждается изотермически).

При  правильном  построении  адиабата и (остальные  адиабаты) немного  не  доходят до  линии  равновесия. Адиабаты  продляются  изотермами,  от изотерм  строятся  адиабаты и  т.д.

Расчет координат адиабат и изотерм, отвечающих оптимальных условиям ведения процесса, довольно сложен, и из лучше построить по справочным данным.

В данном случае состав исходного газа а=7,5; b=, поэтому выберем соответствующие параметры (табл. 1).

Таблица 1

Оптимальные режимы контактных аппаратов с промежуточными теплообменниками.

Слой контактной массы	I	II	II	IV
xk	0,707	0,92	0,971	0,980
tн, °C	440	451	436	429
tk, °C	591	497	446	431

Уравнение адиабаты от начальной точки (t_н=440°C) имеет вид:

, где t_н – начальная температура, °C;

х – степень превращения;

λ – коэффициент (для а=7,5 λ=213), °C

Определяем тепловую нагрузку теплообменников (промежуточных и выносного). Она определяется:

, где V₀ – объемный расход газа, 168450м³/час;

с – теплоемкость газов (принимается постоянной и равной 1,42 кДж/(м³·град));

Δt – разность температур (Δt=t_к-t_н).

Для теплообменника между 1-ым и вторым слоями катализатора. Из таблицы  1  следует  что  газ охлаждается с  температуры 591°C до 451°C на  140°C  (Δt=591-451=140), тогда

Очевидно, что входящий в этот теплообменник газ нагревается на 140°C. Температура выходящего из теплообменника газа равна 440°C (при такой температуре он входит в контактный слой). Тогда температура на входе: 440-140=300°C.

Средняя разность температур в теплообменнике:

591→440

151                151    Средняя разность температур Δt=151°C

440←300

Поверхность нагрева теплообменника определяется:

, где к – коэффициент теплопередачи (для данного случая, т.е. системы газ-газ к можно принять 50 кДж/(м³·час·град)).

Для теплообменника между 2-ым и 3-им слоями катализатора (Δt=497-436=61):

Q=168450·1,42·61=14591000(кДж/час)

Очевидно, что входящий в этот теплообменник газ нагревается на 61°C. Температура выходящего из теплообменника газа равна 300°C. Тогда температура на входе: 300-61=239°C.

Средняя разность температур в теплообменнике:

497→436

197                 197    Средняя разность температур Δt=197°C

300←239

Поверхность нагрева теплообменника:

Для теплообменника между 3-им и 4-ым слоями катализатора (Δt=446-429=17):

Очевидно, что входящий в этот теплообменник газ нагревается на 17°C. Температура выходящего из теплообменника газа равна 239°C. Тогда температура на входе: 239-17=222°C.

Средняя разность температур в теплообменнике:

446→429

207                   207    Средняя разность температур Δt=207°C

239←222

Поверхность нагрева теплообменника:

Расход катализатора (в м³) определяется:

, где с- коэффициент запаса (для 1-го слоя он равен 4, для 2-го слоя  равен 2, для 3-го слоя  равен 1.3, для 4-го слоя  равен 1.35);

V₀ – объемный расход газа, м³/с; 

τ – время контактирования, с.

Это время упрощенно рассчитывается по уравнению:

, где к – константа скорости реакции;

К_р – константа равновесия а – мольная доля SO₂;      b – мольная доля О₂;

х – степень превращения;

А – коэффициент, равный 0,2.

В  таблице 2 приведены значения констант скорости реакции окисления SO₂